Odkryto masywne pierwotne galaktyki pływające w rozległym oceanie ciemnej materii

Astronomowie oczekują, że pierwsze galaktyki, które powstały zaledwie kilkaset milionów lat po wielkim wybuchu, będą miały wiele podobieństw z niektórymi galaktykami karłowatymi, jakie dzisiaj widzimy w pobliskim Wszechświecie. Owe wczesne aglomeracje kilku miliardów gwiazd staną się następnie blokami większych galaktyk, które zdominowały Wszechświat po pierwszych kilku miliardach lat.

Prowadzone obecnie obserwacje przy użyciu ALMA odkryły jednak zaskakujące przykłady masywnych, wypełnionych gwiazdami galaktyk, widziane w okresie, gdy Wszechświat miał mniej niż miliard lat. Sugeruje to, że mniejsze galaktyczne bloki można było dość szybko złożyć w duże galaktyki.

Najnowsze obserwacje ALMA przesuwają jeszcze dalej epokę formowania się masywnych galaktyk, identyfikując dwie olbrzymie galaktyki widoczne, gdy Wszechświat miał zaledwie 780 milionów lat, czyli zaledwie 5% obecnego wieku. ALMA ujawniła również, że te niezmiernie duże galaktyki znajdują się w jeszcze bardziej masywnej strukturze kosmicznej, halo ciemnej materii o masie równej kilku bilionom Słońc.

Dwie galaktyki znajdują się w tak bliskiej odległości od siebie – bliżej, niż odległość od Ziemi do centrum Galaktyki – że wkrótce połączą się, tworząc największą galaktykę, jaką kiedykolwiek obserwowano w tym okresie historii kosmosu. Odkrycie to dostarcza nowych informacji na temat powstawania dużych galaktyk oraz roli, jaką ciemna materia odgrywa w tworzeniu najbardziej masywnych struktur we Wszechświecie.

„Dzięki tym znakomitym obserwacjom ALMA astronomowie widzą najbardziej masywną galaktykę, jaką znamy z pierwszych miliardów istnienia Wszechświata w procesie składania się” – powiedział Dan Marrone, profesor astronomii na Uniwersytecie Arizona w Tucson, oraz główny autor publikacji.

Astronomowie widzą te galaktyki w epoce kosmicznej historii znanej jako epoka rejonizacji, kiedy większość przestrzeni międzygalaktycznej była przesłonięta mgłą zimnego gazu wodorowego. W miarę formowania się większej liczby gwiazd i galaktyk ich energia ostatecznie zjonizowała wodór między galaktykami, odsłaniając Wszechświat, jaki widzimy obecnie.

„Zwykle postrzegamy to jako czas, kiedy małe galaktyki ciężko pracują, aby mieć się z daleka od neutralnego ośrodka międzygalaktycznego. Adaptacja dowodów obserwacyjnych z użyciem ALMA pomogła jednak zmienić tę historię i nadal cofa czas, w którym prawdziwie masywne galaktyki pojawiły się we Wszechświecie” – powiedział Marrone.

Galaktyki, które Marrone i jego zespół badali, znane pod wspólną nazwą SPT0311-58, zostały pierwotnie zidentyfikowane jako pojedyncze źródło, przez National Science Foundation’s South Pole Telescope. Te obserwacje wskazywały, że obiekt ten był bardzo odległy i świecił jasno w świetle podczerwonym, co oznacza, że był bardzo zapylony i prawdopodobnie przechodził przez wybuch formujących się gwiazd. Kolejne obserwacje ALMA ukazały odległość i podwójną naturę obiektu, wyraźnie rozdzielając parę wzajemnie oddziałujących galaktyk.

Aby wykonać tę obserwację, ALMA otrzymała pomoc od soczewki grawitacyjnej, która zapewniła obserwacyjny impuls dla teleskopu. Soczewki grawitacyjne powstają, gdy wkraczający masywny obiekt, taki jak galaktyka lub gromada galaktyk, zakrzywia światło z odległych galaktyk. Zniekształcają one jednak wygląd badanego obiektu, co wymaga skomplikowanych modeli komputerowych do rekonstrukcji obrazu, aby wyglądał tak, jak w postaci niezmienionej.

Proces ten dostarczył intrygujących szczegółów na temat galaktyk, pokazując, że większa z nich tworzy gwiazdy z szybkością 2 900 mas Słońca rocznie. Mieści w sobie również około 270 miliardów mas Słońca w gazie i prawie 3 miliardy razy więcej, niż masa Słońca, w postaci pyłu. „To ogromna ilość pyłu, biorąc pod uwagę młody wiek układu”, zauważył Justin Spilker, niedawny absolwent Uniwersytetu w Arizonie a obecnie doktor habilitowany na Uniwersytecie Teksańskim w Austin.

Astronomowie ustalili, że szybkie formowanie się gwiazd w galaktyce najprawdopodobniej nastąpiło w wyniku bliskiego spotkania z jej nieco mniejszym towarzyszem, który ma już około 35 miliardów mas Słońca i zwiększa tempo wybuchania gwiazd z szybkością 540 mas Słońca rocznie.  

Naukowcy uważają, że galaktyki z tej epoki są bardziej chaotyczne niż te, które widzimy w pobliskim Wszechświecie. Ich bardziej pogmatwane kształty będą wywołane ogromnym zapasem gazu opadającego na nie, a także ich ciągłym oddziaływaniem i łączeniem się z sąsiadami. 

Nowe obserwacje pozwoliły także badaczom na stwierdzenie obecności naprawdę masywnego halo ciemnej materii otaczającej obie galaktyki. Ciemna materia zapewnia przyciąganie grawitacyjne, które powoduje, że Wszechświat zapada się w struktury (galaktyki, grupy, gromady galaktyk itp).

Porównując swoje obliczenia z aktualnymi prognozami kosmologicznymi, naukowcy odkryli, że halo to jest jednym z najbardziej masywnych, co powinno istnieć w tym czasie.

„Jest więcej galaktyk odkrytych przez South Pole Telescope, które obserwujemy i jest o wiele więcej danych z przeglądów, które dopiero zaczynamy analizować. Mamy nadzieję, że uda nam się znaleźć więcej takich obiektów, być może jeszcze bardziej odległych, aby lepiej zrozumieć tę populację ekstremalnie zapylonych galaktyk, a zwłaszcza ich związek z wielką populacją galaktyk w tej epoce” – powiedział Joaquin Vieira z Uniwersytetu Illinois w Urbana-Campaign.

„W każdym razie, nasza kolejna runda obserwacji ALMA powinna pomóc nam zrozumieć, jak szybko te galaktyki zebrały się razem i poprawić nasze zrozumienie dotyczące formowania się masywnych galaktyk podczas rejonizacji” – dodaje Marrone.  

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Więcej:
Massive Primordial Galaxies Found Swimming in Vast Ocean of Dark Matter

Źródło: ALMA

Na zdjęciu; Wizja artystyczna pary galaktyk z bardzo wczesnego Wszechświata. Źródło: NRAO/AUI/NSF; D. Berry